熱軋帶鋼超快速冷卻過程的溫度控制策略

彭 文，馬更生，張殿華

(東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽，110819)

熱軋帶鋼超快速冷卻過程的溫度控制策略

彭 文，馬更生，張殿華

(東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽，110819)

針對熱軋帶鋼超快速冷卻過程溫度控制, 通過建立帶鋼冷卻過程中的空冷、水冷溫降模型，采用前饋、反饋與自適應相結合的溫度控制策略，提高帶鋼的中間溫度和卷取溫度的控制精度，并應用于熱軋帶鋼生產線。應用效果表明，帶鋼軋后溫度控制達到了較高的精度，并有效地提高了帶鋼的力學性能。

熱軋帶鋼；軋后冷卻；超快冷；溫降模型；溫度控制

以超快速冷卻為核心的新一代TMCP(Thermo-mechanical Control Process)技術，通過采用節約型的成分設計和減量化的生產方法獲得高附加值、可循環的鋼鐵產品[1]。冷卻過程溫度控制精度直接影響著熱軋板帶鋼的組織性能和力學性能[2-4]，因此開發適用于超快速冷卻過程的溫度控制策略十分必要。在實際熱軋生產過程中，溫度變化過程是一個十分復雜的過程，涉及到輻射換熱、對流換熱、熱傳導及相變潛熱等[5-8]。為此，本文從各種換熱形式的機制出發，建立了適應現場生產條件的數學模型，在超快速冷卻工藝的基礎上開發了前饋、反饋與自適應相結合的溫度控制策略，并應用于熱軋帶鋼生產線。

1 軋后冷卻控制系統概述

寬度在800 mm以下的帶鋼熱連軋生產線一般采用立式卷取的方式，即從精軋機軋出的帶鋼經扭轉導槽后，在運輸輥道上立式蛇形前進，后經平板運輸鏈進入到立式卷取機進行卷取。為了滿足帶鋼軋后冷卻速率的工藝要求，根據現場實際情況，將前段常規冷卻區改造成超快速冷卻區，并設計“超快冷+立式冷卻”兩段式冷卻模式，前段超快速冷卻區為上下對稱式布置，后段冷卻區為立式對稱式布置，改造后的軋后冷卻過程控制系統結構如圖1所示。按照實際生產需要，軋后冷卻控制系統是包括中間溫度MT(Middle Temperature)、卷取溫度CT(Coil Temperature)和冷卻速率為控制量的多目標控制系統，系統根據精軋出口帶鋼的溫度、速度、厚度等參數和工藝所確定的冷卻速率曲線的要求確定相應的集管開啟數目，采用前饋、反饋、自適應相結合的控制方式，使帶鋼的中間溫度和卷取溫度盡可能接近工藝所要求的目標溫度，實現對熱軋帶鋼軋后冷卻過程溫度的控制。在溫度控制過程中，一般按照帶鋼段(樣本)沿帶鋼長度方向進行溫度控制，最終實現帶鋼全長的溫度控制。

2 軋后冷卻數學模型

帶鋼軋后冷卻過程是一個復雜的換熱過程，在實際工程應用中，為簡化計算過程，主要考慮空冷過程、水冷過程對溫度產生的影響。

2.1 空冷溫降模型

高溫帶鋼在運輸輥道運行時，主要通過熱輻射、空氣對流以及與運輸輥道熱傳導的方式散失熱量，其中熱輻射占主導地位[9]，能夠占到總熱量散失量的93%～95%。根據斯蒂芬波爾茲曼定律和能量守恒定律，在單位時間內，由于輻射散熱造成帶鋼溫度降低，因此得到：

(1)

式中：F為熱交換面積，m2；ε為輻射率，一般取0.6～0.8；σ為斯蒂芬波爾茲曼常數，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Ts為帶鋼的熱力學溫度，K；Ta為外界環境的熱力學溫度，K；ρ為帶鋼密度，kg/m3；cp為帶鋼比熱，J/(kg·K)；h為帶鋼厚度，m。

(2)

假設在時間t1到時間t2內，由空冷溫降造成的帶鋼溫度由Ts下降到Ts1，對式(2)積分可以得到空冷溫降模型：

(3)

2.2 水冷溫降模型

對流換熱是水冷換熱的主要方式，對流傳熱的強度不但與物體的傳熱特性有關，還取決于流體介質的物理性質和運動特性，熱交換過程極其復雜。一般采用牛頓冷卻定律進行計算，由于對流散熱造成帶鋼在dt時間內溫度降低dT，因此得到：2Faw(Ts-Tw)dt=ρcphFdT

(4)

式中：aw為強制對流換熱系數；Tw為冷卻介質的熱力學溫度，K。

假設在時間t1到時間t2內，由水冷溫降造成的帶鋼溫度由Ts下降到Ts2，對式(4)積分得到：

(5)

由此得到水冷溫降模型：

(6)

其中強制對流換熱系數aw一般通過實驗數據擬合得到。針對不同規格的產品，首先對在基準水溫、水壓和速度條件下的冷卻情況進行大量的統計，反推計算出基準對流換熱系數；再通過調整水溫，水壓和速度等參數，獲得不同狀態下的換熱系數，完成對流換熱系數的擬合過程，換熱系數采用下式計算：

(7)

式中：k1為模型學習系數；k2～k5為模型擬合系數；q為單位水流量，m3/h；Tw為軋制過程中水溫，K；P為軋制過程中實際水壓，MPa；v為軋制過程中帶鋼速度，m/s；Tw0為水溫基準值，K；P0為水壓基準值，MPa；v0為帶鋼速度的基準值，m/s。

另外，帶鋼在冷卻過程中因其相變生成潛熱的緣故，對中間溫度和卷取溫度的控制也會產生一定的影響，因此在溫降模型計算中，使用相變潛熱之后的比熱值進行溫降計算更為精確。

本研究的實際帶鋼厚度在1.5～3.5 mm范圍內，是典型的薄板坯冷卻過程，故認為帶鋼內部溫度均勻，忽略帶鋼內部熱傳導過程對帶鋼溫度造成的影響。

3 溫度控制策略

3.1 前饋控制

在實際生產過程中，由于精軋出口溫度、成品的厚度和速度時刻發生波動，因此需要不斷調整冷卻區中集管的開閉數目來消除終軋溫度、厚度的波動對中間溫度和卷取溫度造成的影響。設定計算過程(預設定和動態設定)是典型的前饋控制，其中預設定是根據PDI(Primary Data Input)目標參數進行計算，動態設定是根據精軋機帶鋼樣本的實測終軋溫度、速度和厚度進行計算。前饋控制流程如圖2所示。前饋控制的核心內容是帶鋼位置的準確跟蹤和單根集管溫降的計算。帶鋼的跟蹤主要由基礎自動化系統來完成，根據冷卻控制長度(稱為樣本)周期性地將實際的溫度、厚度、速度傳遞給過程計算機，過程計算機進行溫降的計算，計算結果下發后，當帶鋼的相應位置到達相應冷卻區后進行集管開啟的操作；在單根集管的溫降計算過程中，首先根據帶鋼速度計算帶鋼通過單根冷卻集管的時間，其次根據公式(3)和公式(6)計算單根集管的溫降，最后通過終軋溫度與卷取溫度(或中間溫度)的差值計算得到需要調整的集管開閉數目。

3.2 反饋控制

反饋控制是根據帶鋼的中間溫度、卷取溫度的實測值與目標值之間的偏差，動態調節反饋集管的開閉情況來消除溫度偏差。反饋控制策略采用PID(Proportion Integration Differentiation)反饋控制算法，將目標溫度與實際溫度偏差的比例P、積分I和微分D通過先行組合構成控制量，對集管開閉狀態進行控制，其控制輸出u(t)為：

(8)

式中：kP、kI和kD分別為比例系數、積分系數和微分系數；e(t)為輸入域。

將式(8)離散后，可以得到應用于現場的反饋控制模型：

(9)

式中：Δn(i)為當前控制率，即第i次反饋控制需要調節的集管數目；K為單根精調集管的水冷溫降，℃；ΔT(i)為第i個采樣周期卷取溫度實測值與目標值的偏差，℃；β為微分投入系數，可以根據實際效果選擇投用與否。

3.3 自適應控制

自適應控制的基本原理是根據實際集管的組態對各樣本的中間溫度和卷取溫度重新預報，并與樣本的實測值相比較，獲取二者之間的偏差，采用適當的修正算法進行模型關鍵參數修正，提高后續帶鋼的溫度預報精度。對帶鋼軋后冷卻過程來說，一般將各模型預報偏差歸因于水冷換熱系數偏差，通過自適應系數對水冷換熱系數不斷修正，進而完成自適應控制過程。

針對不同規格的帶鋼產品，通過測量樣本的終軋溫度實測平均值以及中間溫度和卷取溫度實測平均值，同時根據樣本在冷卻區運行過程中的實際集管開啟數目計算空冷溫降和水冷溫降，重新對中間溫度和卷取溫度進行預報。自適應系數計算值k*由下式進行計算：

(10)

實際模型自適應系數計算完成后，需要經過指數平滑處理之后才能應用于下一卷帶鋼的計算過程。自適應系數新值k為：

(11)

式中：λ為平滑系數；k′為自適應系數舊值。

4 應用效果

本超快速冷卻過程的溫度控制策略已在國內某620 mm熱軋帶鋼廠得到應用。軋制鋼種為Q235B，帶鋼厚度為2.75 mm，終軋溫度FDT(Finishing Delivery Temperature)為880 ℃左右，中間溫度(MT)目標值為700 ℃，卷取溫度(CT)目標值為660 ℃，數據采樣周期為200 ms。圖3為軋后冷卻過程中某卷帶鋼的軋后溫度控制曲線。為驗證實際控制效果，對一個換輥周期內的帶鋼軋后溫度進行數據統計，統計結果表明，帶鋼樣本的中間溫度和卷取溫度控制在帶鋼全長目標溫度±18.5 ℃范圍內的比例分別達到95%和97%。由此表明，帶鋼的中間溫度和卷取溫度控制精度均達到了較高水平，完全滿足生產工藝的需求，為提高產品質量和性能優化創造了條件。

在工業試驗中，對相同規格和化學成分的Q235B鋼板坯分別采用兩種不同的冷卻工藝：一種是只使用常規冷卻；另一種是使用超快速冷卻和常規冷卻相結合的冷卻方式。然后對其開卷取樣，在距帶鋼尾部10、100、150、300 m處分別取樣。圖4為不同冷卻工藝下帶鋼的平均屈服強度和抗拉強度。從圖4中可以看出，使用超快速冷卻和常規冷卻相結合工藝所得帶鋼的力學性能較均勻，相對于只使用常規冷卻工藝的帶鋼，其屈服強度和抗拉強度均提高了50 MPa左右。

Fig.4 Mechanical properties of the strip under different cooling processes

圖5為不同冷卻工藝下帶鋼的延伸率。從圖5中可以看出，與傳統工藝相比，采用超快速冷卻和常規冷卻相結合的工藝，延伸率略有降低，但滿足國標要求。

Fig.5 Elongation of the strip under different cooling processes

5 結論

(1)建立了熱軋帶鋼超快速冷卻過程中的空冷溫降模型和水冷溫降模型，以此為基礎開發了前饋、反饋與自適應相結合的溫度控制策略，并在某熱連軋生產線得到應用。

(2)帶鋼樣本的中間溫度和卷取溫度控制在帶鋼全長目標溫度±18.5 ℃范圍內的比例均達到95%，滿足了現場溫度控制要求。與傳統冷卻工藝相比，超快速冷卻工藝可使帶鋼的屈服強度和抗拉強度提高50 MPa左右，延伸率略有降低，但滿足實際的產品需求，為進一步開發低成本、高附加值產品奠定了基礎。

[1] 王國棟. 新一代控制軋制和控制冷卻技術與創新的熱軋過程[J].東北大學學報:自然科學版，2009, 30(7):913-922.

[2] Wang J, Wang G D, Liu X H. Hot strip laminar cooling control model [J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2004, 11(5):13-17.

[3] 李海軍，江瀟，李旭東,等.熱軋帶鋼軋后冷卻控制系統優化[J].東北大學學報:自然科學版，2015, 36(3):364-367,382.

[4] Herman J C.Impact of new rolling and cooling technologies on thermomechanically process steels[J]. Ironmaking and Steelmaking, 2001, 28(2):159-163.

[5] 孫一康.冷熱軋板帶軋機的模型與控制[M]. 北京：冶金工業出版社, 2010.

[6] Peng L G, Liu X H, Zhao X M, et al. Mathematic modeling on flexible cooling system in hot strip mill [J]. Journal of Central South University, 2014, 21(1):43-49.

[7] Liu E Y, Peng L G, Yuan G, et al. Advanced run-out table cooling technology based on the ultra-fast cooling and laminar cooling in hot strip mill [J]. Journal of Central South University, 2012, 19(5):1341-1345.

[8] Chen S X, Zou J, Fu X. Coupled models of heat transfer and phase transformation for the run-out table in hot rolling [J].Journal of Zhejiang University—Science A,2008,9(7),932-939.

[9] Peng W, Liu Z Y, Yang X L, et al. Optimization of temperature and force adaptation algorithm in hot strip mill [J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2014, 21(3):300-305.

[責任編輯 張惠芳]

Strategy for temperature control of ultra-fast cooling porocess in hot strip rolling

PengWen,MaGengsheng,ZhangDianhua

(State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Aimed at the temperature control of the ultra-fast cooling process in hot strip rolling and by developing the combined strategy of feed-forward, feed-back and self-adaption based on the establishment of the air cooling and water cooling temperature drop model, the precision of middle temperature and coil temperature control was improved. The cooling system had been applied in a hot strip production line. The results show that the precision of temperature control reaches a high level and the mechanical properties of the strip are improved effectively.

hot rolled strip; cooling after rolling; ultra-fast cooling; temperature drop model; temperature control

2015-05-07

國家自然科學基金資助項目(51074051)；遼寧省博士啟動基金資助項目(20131033).

彭 文(1987-)，男，東北大學材料與冶金學院博士后流動站研究人員,博士.E-mail: pengwen@ral.neu.edu.cn

TG334.9

A

1674-3644(2015)05-0321-05